Bartley, som opprinnelig hadde planer om å bli prest, men mistet troen underveis, studerte filosofi hos Willard Van Orman Quine ved Harvard University. 1962 avla han sin doktorgrad under veiledning av Karl Popper ved London School of Economics. Han begynte å undervise ved University of California, San Diego. Fra 1967 innehadde han en stilling ved University of Pittsburgh (fra 1969 som professor). I 1973 vekslet han til California State University. Sin siste stilling innehadde Bartley ved Hoover Institution.